Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Экология (Уч.пособие 2008).doc
Скачиваний:
27
Добавлен:
18.11.2019
Размер:
9.66 Mб
Скачать

6.4. Работы оао «автоваз» по использованию альтернативных топлив для автомобилей с двс

Истощение мировых запасов нефти и других невозобновляемых энергоресурсов при растущем энергопотреблении и загрязнении атмосферы продуктами их сгорания привели к пониманию того, что ископаемые топлива не смогут в будущем обеспечить устойчивое развитие мировой экономики, а загрязнение атмосферы продуктами их сгорания, в том числе углекислым газом (СО2), угрожает экологической катастрофой. Это вынуждает вводить ограничения на токсичные выбросы и эмиссию СО2 в атмосферу, стимулировать работы по снижению расхода топлива, использованию альтернативных, в перспективе, возобновляемых топлив. В частности, Директивы Еврокомиссии ограничивают эмиссию СО2 автотранспортом (см. рис. 21), что эквивалентно снижению расхода углеводородного топлива.

Объединение предпринимателей автомототранспорта, во исполнение указанных директив, предложило ввести с 2005 г. систему налогового регулирования выбросов СО2 путем снижения или увеличения налоговых выплат на каждый автомобиль (табл. 17). Жесткие требования по токсичности отработавших газов, выполнение которых в настоящее время обеспечивается при работе бензиновых двигателей путем использования «треххомпонентных» нейтрализаторов, ограничивают возможность снижения расхода топлива.

Евростандарты предусматривают практически двукратное снижение выбросов СО, СН, NОХ через каждые пять лет (рис. 22).

22%

2005 2008 2012 2015* год

Рис. 21. Европейские директивы по ограничению эмиссии СО2

Таблица 17

Зависимость налоговых выплат от эмиссии CO2

Эмиссия CO2

Изменение налоговых выплат

Менее 120 г/км

От 120 до 140 г/км

От 140 до 180 г/км

Более 180 г/км

Снижение от 500 до 700

Снижение от 250 до 350

0

Увеличение от 400 до 3200

Рис. 22. Европейские нормы токсичности для легковых автомоблей

Современный транспорт наиболее зависим от нефтепродуктов.

В связи с этим решение проблем снижения расхода топлива, эмиссии СО2, перехода на возобновляемые энергоносители становится для производителей транспортных средств приоритетной задачей.

В сложившейся ситуации, с учетом дефицита финансовых средств на развитие производства, для отечественной автомобильной промышленности необходимо определить оптимальные и наименее затратные пути решения проблем снижения расхода топлива и перехода к использованию возобновляемых топлив.

Перспективным энергоносителем, позволяющим исключить эмиссию СО2 и токсичных компонентов, повысить КПД энергоустановок, признан водород. Однако его широкое применение сдерживается рядом организационных, технических и финансовых проблем. В этой ситуации одновременно с созданием принципиально новых энергоустановок, в частности, на топливных элементах, актуальной становится задача в короткий срок повысить КПД традиционных энергоустановок. Необходимо перейти к использованию альтернативных топлив, при сжигании которых выделяется минимальное количество СО2 по отношению к выделяемой энергии. Основными способами снижения расхода топлива и эмиссии СО2 являются:

  • повышение КПД двигателей внутреннего сгорания (ДВС), работающих на стехиометрической гомогенной и бедной негомогенной смесях;

  • снижение массы автомобилей, их сопротивления движению, оптимизация трансмиссий;

  • использование гибридных силовых установок с ДВС;

  • - использование альтернативных топлив;

  • использование энергоустановок на топливных элементах.

С целью снижения расхода топлива, эмиссии СО2 и токсичности отработавших газов АВТОВАЗ к настоящему времени выполнил значительный объем конструкторских и исследовательских работ.

В настоящее время производятся автомобили, выполняющие нормы токсичности Евро-2 и Евро-3, разработаны модификации, выполняющие нормы Евро-4. Работы по автомобилям с ДВС на природном газе и водороде, организованы на ВАЗе с 1999 г. Одновременно, с целью исключения зависимости от инфраструктур сна-

бжения водородом, были организованы работы по созданию бортовых источников водорода и водородосодержащего синтез газа с привлечением Института водородной энергетики и плазменных технологий (ИВЭПТ, Москва), Института экспериментальной физики (ВНИИЭФ, г. Саров) и института катализа СО РАН, г. Новосибирск.

К настоящему времени созданы и прошли испытания:

  • автомобили, работающие на природном газе;

  • автомобиль ВАЗ-21102, работающий на смесях бензина с водородом;

  • ДВС, работающие на водороде, смесях бензина с водородом, бензина с водородосодержащим синтез-газом;

  • лабораторные образцы генераторов синтез-газа (ГСГ) с парциальным окислением топлива воздухом в присутствии плазмы, получаемой с помощью высокочастотных электромагнитных волн;

  • образцы генераторов синтез-газа в исполнении для моторного бокса, работающие на бензине и природном газе с каталитическим парциальным окислением топлива;

  • ДВС, работающие на природном газе с синтез-газом.

Выполненные работы позволили провести расчетно-экспериментальный анализ и определить оптимальные варианты решения проблем снижения эмиссии СО2, повышения КПД двигателей при выполнении перспективных требований по токсичности без «трехкомпонентных» нейтрализаторов, с учетом минимизации производственных затрат и сохранения потребительских качеств автомобилей. Возможности снижения эмиссии СO2, по перечисленным выше направлениям, на примере автомобиля ВАЗ-21102, соответствующего европейскому автомобилю «компакт-класса», (масса при испытаниях 1350 кг) следующие.

Средний КПД двигателя при испытании автомобиля по европейскому ездовому циклу, при расходе бензина 7,5 л/100 км и эмиссии СО2 180 г/км составляет 23%. Для снижения эмиссии СО2 от 180 до 140, 120 и 90 г/км при работе ДВС на традиционном топливе потребуется увеличить их КПД, в среднем, от 23 до 29 %, 34% и 48 % соответственно.

Модернизация бензиновых ДВС, работающих на стехиометрической смеси позволит повысить их КПД на 12…17% от исходного уровня, т.е. до величины 27%. Современные дизели с наддувом на рассматриваемом режиме имеют КПД около 32%. Необходимость снижения ди­зельными двигателями эмиссии окислов азота, образующихся в цилиндрах двигателя при их работе на бедной не гомогенной смеси, до уровня норм Евро-4 и ниже потребует применения нейтрализатора, что резко снижает КПД (до 30%),

Отключение двигателя при остановках автомобиля с автоматическим пуском при нажатии педали дросселя позволяет повысить КПД бензинового ДВС на 8%, т.е. с 27 до 29 % и КПД дизеля с адсорбирующим нейтрализатором до 32%. При этом дополнительные затраты на дизельный или бензиновый автомобиль с нейтрализатором для выполнения норм токсичности Евро-4 составяют от 1000 до 1500 евро. Гибридная силовая установка с современным турбодизелем, имеющим максимальный КПД 42%, по зарубежной информации, обеспечивает снижение выбросов СО2 ниже 130 г/км, но не сможет обеспечить выброс 120 г/км, при этом себестоимость автомобиля может вырасти на величину от 3500 до 5000 евро, без учета затрат на организацию новых производств. Снижение массы автомобиля до 800 кг с использованием модернизированных ДВС позволяет снизить расход топлива до 3,5 л/100 км, эмиссию СО2 -до 84 г/км. При этом нужно учесть, что спрос на автомобили особо малого класса ограничен. Таким образом, для выполнения норм 120 и 90 г/км автомобилями с ДВС, работающими на традиционном топливе, потребуется изменение конструкции силовых агрегатов и автомобилей при существенном увеличении их стоимости и значительных затратах на подготовку производства (рис. 23).

Использование альтернативных топлив существенно расширяет возможности снижения эмиссии СО2 за счет снижения удельной (на единицу выделяемой энергии) эмиссии (рис. 24) и повышения КПД.

Оценка эффективности применения этих топлив по снижению эмиссии СО2 с учетом возможности повышения КПД ДВС приведена ниже.

Рис. 23. Анализ затрат на один автомобиль эконом класса (1350 кг) и эффекта по снижению эмиссии СО2: 1 - бензиновый ДВС, Евро-3; 2 - то же, Евро-4; 3 -то же, с изменяемыми фазами газораспределения; 4 - ДВС по п. 2, электромеханическим приводом (стартер-генератор); 5 - наддув, «экономическая» настройка; 6 - бензиновый ДВС, впрыск в цилиндры; 7 - то же, с «экономическим» наддувом; 8 - .дизель, окислительный нейтрализатор, с фильтром-нейтрализатором сажи; 10 - ДВС на природном газе, Евро-4 и 5; 11 - ДВС на природном газе; Евро-4 и 5; 12 - то же, с генератором синез-газа, Евро-4 и 5; 13 - дизель на диметиловом эфире; 14 - ДВС на углеводородном топливе; 9 - «гибридная» силовая установка

Рис. 24. Удельная эмиссия СО2 при сжигании углеводородных

топлив

Известно, что организация работы ДВС на бедной гомогенной смеси позволяет значительно повысить его КПД. При этом широко используемые в настоящее время «трехкомпонентные» нейтрализаторы не обеспечат снижение эмиссии окислов азота (NОх).Эта проблема с одновременным повышением КПД ДВС может быть решена осуществлением процесса сгорания при низкой температуре, что возможно при наличии в смеси топлива с низкой границей воспламеняемости, например, свободного водорода.

Проведенные на ВАЗе лабораторно-дорожные испытания автомобиля ВАЗ-21102 показали возможность работы двигателя на бедных гомогенных смесях с повышением КПД ДВС на расчетном режиме, в среднем, с 23 до 32%, снижения эмиссии NОХ без 3-х компонентного нейтрализатора до 0,033 г/км, (нормы Евро-5), эмиссия СО2 составила 77 г/км при расходе бензина 3,3 л/100 км. При этом для обеспечения пробега автомобиля более 600 км по смешанному Европейскому циклу потребуется около 2,3 кг водорода и 20 л бензина.

Предварительные исследования ДВС на бензине с добавками водородосодержащего синтез-газа и на природном газе с синтез-газом показали практически тот же эффект, что и с добавками водорода. Схема системы питания двигателя с получением синтез-газа приведена на рис. 25. Объем реактора ГСГ - 0,6 л, производительность по природному газу - 2 мэ/ч.

Рис. 25. Схема системы получения и подачи синтез-газа в ДВС

На рис. 26 приведены характеристики по эмиссии СО2 и токсичных компонентов, замеренные в процессе движения «водородно-бензинового» автомобиля по «городскому» европейскому циклу.

Результаты лабораторных испытаний генераторов синтез-газа с конверсией жидкого топлива в присутствии плазмы и основанные на них расчеты показали, что при хорошей степени преобразования топлива (керосина) с содержанием в синтез-газе водорода и окиси углерода по 24% затраты электроэнергии на получение плазмы и тепловые потери при конверсии в сумме составят около 66% от теплотворной способности переработанного топлива. В этом случае невозможно увеличить КПД двигателя с достижением приемлемо низкой токсичности отработавших газов, при его работе на бедной смеси. Кроме того, требуется увеличение мощности автомобильного электрогенератора более чем в 2 раза.

t, сек

Рис. 26. Эмиссия СО2 и токсичных компонентов в городском цикле

Конструкция систем с плазменным ГСГ оказывалась сложной и дорогой в производстве. Оценка показателей каталитической конверсии топлива в синтез-газ, процесса сгорания и показателей ДВС

при использовании синтез-газа показали перспективность этого направления. В связи с этим, дальнейшие работы выполнялись с каталитическими ГСГ. Состав получаемого синтез-газа в объемных процентах следующий: Н2 - 31 %, СО - 14,7%, СН4 - 1 %, СО2 - 3%. С учетом КПД генератора синтез-газа, составляющего, при каталитической конверсии топлива, в среднем, 80% (по теплотворной способности исходного продукта и продуктов конверсии), а также расхода топлива через ГСГ, КПД ДВС на расчетном режиме составил 30%. При работе ДВС на топливе с октановым числом 100…110 (природный газ, пропан-бутан) возможно повышение КПД ДВС на 5…7% путем изменения степени сжатия. В этом случае КПД ДВС составит около 32%. Данные по изменению выделения СО2 при работе автомобиля с ДВС на различных топливах с учетом возможности улучшения их КПД приведены на рис. 27.

Рис. 27. Эмиссия СО2 при работе на различных топлива: 1 - ДВС на бензине (средняя эмиссия европейских легковых автомобилей; 2 - модернизированный бензиновый или дизельный ДВС; 3 - модернизированный ДВС на природном газе (СH4); 4 -дизель на диметиловом эфире; 5 - модернизированный ДВС на природном газе и синтез-газе; 6 - автомобиль на топливных элементах с получением водороде на борту из природного газа; 7 - водородный автомобиль с ДВС или на топливных элементах.

Приведенные данные демонстрируют возможность снижения эмиссии СО2 путем повышения КПД бензиновых ДВС при работе на стехиометрической смеси, применения дизелей, использования природного газа взамен бензина. Существенный эффект по эмиссии СО2 при малом увеличении цены автомобиля обеспечивает процесс сгорания бедной гомогенной смеси с использованием водорода или синтез-газа. Наибольший эффект по эмиссии СО2 могли бы обеспечить энергоустановки на топливных элементах и ДВС,. работающие на водороде, однако их создание и создание инфраструктур по получению и доставке водорода потребителям потребует значительных затрат по финансам и времени. Использование ДВС, работающих на природном газе, природном газе с синтез-газом позволит решать задачу снижения эмиссии СО2 в ближайшей перспективе.

Полученные результаты показывают возможность осуществления последовательного, с наименьшими затратами и в короткие сроки, решения экологических проблем, в первую очередь, больших городов, получения экономического и социального эффектов.

Концепция перехода к альтернативной энергетике, условно разделенная на этапы, может быть следующей:

Первый - развитие сети газонаполнительных станций (АГНКС), с одновременной организацией серийного производства транспортных средств, работающих на природном газе. Таким образом, создаются предпосылки и заделы для развития работ по второму и третьему этапам.

Второй - организация производств транспортных средств и стационарных энергоустановок с ДВС, работающих на топливных смесях, обогащенных водородосодержащим синтез-газом. Таким образом, создаются предпосылки и заделы для работ по третьему и четвертому этапам.

Третий - разработка и организация производства транспортных средств с энергоустановками на топливных элементах с получением водорода на борту в топливном процессоре. Организация производства стационарных процессоров на базе ГСГ для получения водорода, оснащение ими АГНКС. Создаются заделы и предпосылки для производства транспортных средств и энергоустановок на водороде.

Четвертый - разработка и организация производства городских транс­портных средств с энергоустановками, работающими на водороде, в том числе на топливных элементах. Таким образом, стимулируется процесс перехода на водородную энергетику, что обеспечивает нулевую эмиссию СО2 и токсичных компонентов.

Решение данной масштабной проблемы, в целом, возможно только при организационной и финансовой поддержке правительства РФ, концентрации усилий научного, промышленного и топливно-энергетического комплексов.